Лекция №14 Автоматизация процесса сушки

Вопросы, рассматриваемые в лекции:

1. Основные параметры и характеристики процесса.

2. Математическое описание процесса сушки.

3. Информационная схема объекта управления.

4. Типовая схема автоматизации.

Основные параметры сушильного агента и материала, как влагоносителей. Относительная влажность сушильного агента  :

. (1)

На основании уравнения Менделеева-Клапейрона можно получить :

. (3)

Относительная влажность материала  - это отношение массы влаги М_вл к общей массе влажного материала М=М_см + М_вл , или к массе абсолютно сухого материала М_см:

Влажность, отнесенная ко всему веществу:

, где М=var

Влажность, отнесенная к массе абсолютно сухого материала:

, где М_см= const .

Диаграммы равновесия при сушке.

На диаграмме принято ₁^* >₂^*>₃^*.

Рисунок 1 - Диаграмма при  = *

Из диаграммы следует:

При   ^* - эффективность сушки повышается;

При * - эффективность сушки повышается.

Рисунок 2 - Диаграмма *= f() при =const

На рисунке 2. приведены:

1- диаграмма при ₁; 2- диаграмма при ₂; 3 -диаграмма при ₃.

При условии, что ₁ < ₂ < ₃

Из диаграммы следует: При . При

Кинетика процесса сушки.

Уравнение массопередачи 1-го периода сушки с постоянной скоростью (Т₁ ):

, (1)

где К=_са - коэффициент массоотдачи от поверхности контакта в газовую фазу;

- средняя движущая сила процесса по сушильному агенту, где .

Первый период сушки соответствует изменению влажности материала от .

При наступает 2-ой период сушки.

Уравнение массопередачи 2-го периода сушки с уменьшающейся скоростью (Т₂ ):

, (2)

где К - коэффициент массопередачи от материала к поверхности контакта фаз;

; .

Второй период сушки соответствует изменению влажности материала от .

Рисунок 3 - Кривая скорости сушки

Возможны следующие соотношения периодов сушки:

1. Т_сушки = Т₁

2. Т_сушки = Т₂

3. Т_сушки = Т₁+ Т₂.

При анализе равновесия мы рассмотрели процесс сушки, характеризующийся первым периодом и уравнением массопередачи (1).

Объект управления.

1. - топка; 2 - смесительная камера; 3 - сушильный барабан;

5. - циклон; 6 - вентилятор

Рисунок 4 - Схема барабанной сушилки прямоточного действия

Газообразное топливо G_т подается с первичным воздухом G_пв через горелки в топку 1, где сжигается для получения сушильного агента.

Формирование сушильного агента осуществляется в смесительной камере 2, куда подается вторичный воздух G_вв.

Влажный материал подается с помощью автоматического дозатора 7 в сушильный барабан 3. Барабан наклонно расположен и вращается со скоростью 4-5 об/мин, так что материал перемещается вдоль барабана и высушивается к моменту попадания в бункер 4 до определенной влажности _см.

Сухой материал G_см отгружается из бункера 4 автоматическим дозатором 7.

Отработанный сушильный агент G_са в циклоне 5 очищается от пыли и вентилятором 6 выводится из процесса.

Показатель эффективности процесса - влажность сухого материала _см .

Цель управления процессом - поддержание _см = _см^зд.

Рисунок 5 - Структурная схема топки и смесительной камеры

Материальный баланс по газовой фазе.

Уравнение динамики:

, (1)

Уравнение статики:

. (2)

Тепловой баланс.

Уравнение динамики:

. (3)

Уравнение статики:

. (4)

Рисунок 6 - Информационная схема топки и смесительной камеры

- возможные неконтролируемые возмущения;

- возможные контролируемые возмущения;

- возможные управляющие воздействия.

Выводы по анализу топки и смесительной камеры как объекта управления:

;

.

Рисунок 7 - Структурная схема сушильного барабана

Материальный баланс по твердой фазе.

Уравнение динамики:

, (5)

где h_м - высота слоя материала в барабане; S_апп - сечение аппарата;

_м - плотность материала; W_м^са - количество влаги, удаляемой в процессе сушки из материала в единицу времени, кг/с.

Уравнение статики:

. (6)

На основании (5) и (6) можно принять:

.

В типовой схеме автоматизации стабилизируют G_вм и G_см, что обеспечивает также стабилизацию h_м

Материальный баланс по газовой фазе.

Уравнение динамики:

, (7)

где

М_са^б - мольная масса сушильного агента в барабане, кг/моль;

Р_са^б - разрежение в барабане, Па;

_са^б - температура в барабане (по газовой фазе), К,

V_са^б - объем газовой фазы в барабане, м³.

Уравнение статики:

. (8)

На основании (7) и (8) можно считать:

.

Предпочтительным управляющим воздействием является G_са^вых.

Тепловой баланс в сушильном барабане.

Уравнение динамики:

. (9)

Уравнение статики при :

. (10)

В выражениях (9) и (10) принимаем:

;

r - удельная теплота испарения влаги , дж/кг.

На основании (9) и (10) можно принять:

, (11)

где

. (12)

Материальный баланс по количеству влаги в материале.

Уравнение динамики:

, (13)

Уравнение статики :

. (14)

Из выражений (13) и (14) следует, что:

, (15)

где W_м^са - определяется уравнением массопередачи.

Материальный баланс по количеству влаги в сушильном агенте.

Уравнение динамики:

. (16)

Уравнение статики :

. (17)

Из выражений (16) и (17) следует, что:

. (18)

Материальный баланс по общему количеству влаги в процессе сушки.

Уравнение динамики:

, (19)

где .

Уравнение статики :

. (20)

На основании выражений (19) и (20) можно считать:

. (21)

При анализе топки мы получили:

. (22)

Из всех возможных управляющих воздействий, перечисленных в выражениях (21) и (22), для регулирования конечной влажности материала наиболее информативным является расход топлива G_т.

Рисунок 8 - Информационная схема сушильного барабана

Возможные управляющие воздействия:

.

Возможные контролируемые возмущения:

.

Возможные неконтролируемые возмущения:

.

Возможные управляемые переменные:

.

Сушильный барабан является сложным многосвязным объектом.

Рисунок 9 - Типовая схема автоматизации процесса сушки

1. Регулирование.

Регулирование _см по подаче топлива G_т - как показателя эффективности процесса сушки.

Регулирование соотношения расходов топлива G_т и первичного воздуха G_пв по подаче первичного воздуха - для обеспечения эффективности сгорания топлива.

Регулирование температуры сушильного агента на входе в барабан _са^вх по подаче вторичного воздуха G_вв.

Регулирование разрежения в барабане Р_са^б по отбору отработанного сушильного агента G_са^вых - для для обеспечения материального баланса по газовой фазе.

Стабилизация расходов влажного и сухого материала G_вм и G_см автоматическими дозаторами - для обеспечения материального баланса по твердой фазе.

2. Контроль.

расходы - G_т, G_пв, G_вв, G_вм, G_см;

температуры - ;

разрежение - Р_б;

влажность - _см (_к).

3. Сигнализация.

существенные отклонения _см от _зд;

значительное повышение _са^вх;

Незапланированное отключение привода, при этом формируется сигнал «В схему защиты».

4. Система защиты.

По сигналу «В схему защиты» - прекратить подачу материала и топлива в сушильный агрегат.